Темная материя и темная энергия в чем разница
Тёмная энергия и тёмная материя
Мы не понимаем более 95% нашей Вселенной.
Вся материя, которую мы можем видеть и понимать, включая звезды, планеты и атомы, составляют менее 5% Вселенной. Более 95% нашей Вселенной состоит из тёмной энергии (70%) и тёмной материи (25%), ни одну из которых мы не понимаем, и обе невидимы. Тем не менее, несмотря на их таинственную природу, у нас есть доказательства их существования и важности. Что мы знаем об этих тёмных, захватывающих аспектах нашей Вселенной?
Тёмная материя
Сама по себе барионная материя, т.е. обычная материя, вещество, состоящее из барионов (нейтронов, протонов и электронов), не обладает достаточной гравитацией, чтобы объяснить структуру нашей Вселенной. Наша галактика Млечный Путь вращается так быстро, что её звезды должны были бы разбросаны повсюду, так как всё, что мы можем видеть вокруг нас, имеет только 10% гравитации, необходимой для удержания звёзд на своих орбитах. Галактики и сверхскопления становятся возможными благодаря дополнительной гравитации тёмной материи — материи, которая не испускает и не отражает свет. Концентрации тёмной материи, однако, искривляют свет, проходящий поблизости. Мы также знаем, что она медленная и тяжелая, так как она должна быть холодной либо медленной, чтобы гравитационно объединить галактики и кластеры.
Существует несколько объяснений того, что может быть причиной этого явления.
Тёмная материя может состоять из частиц. Наша барионная материя состоит из частиц (протоны, нейтроны, электроны), которые мы уже обнаружили, но частицы тёмной материи трудно обнаружить, потому что они не взаимодействуют со светом. Такими частицами могут быть странные и экзотические новые частицы, которые никоим образом не взаимодействуют со светом и материей или частицы с какими-то новыми свойствами, что это выходит за рамки нашего нынешнего понимания физики. В теории струн уже есть некоторые частицы, которые могли бы объяснить тёмную материю — вимпы, аксионы или нейтралино, но нам нужно сначала обнаружить их, чтобы подтвердить эту теорию.
Другое решение говорит о том, что мы не пропускаем барионную материю, необходимую для обеспечения гравитации для структуры Вселенной, но вместо этого гравитация действует по-разному на более массивные объекты, такие как галактики и сверхскопления. Но это решение включало бы признание того, что Общая теория относительности Эйнштейна ошибочна, хотя эта теория прошла многочисленные проверки с момента её появления. Это также означает, что мы имеем недостаточное или неправильное понимание физики элементарных частиц.
Одно из наиболее креативных, но всё же возможных объяснений тёмной материи говорит о том, что мы находимся на одном уровне существования, но что есть и другой уровень, который находится всего в нескольких дюймах от нас. Поскольку свет путешествует под этой вселенной, некоторые объекты внутри неё будут невидимы. Однако, поскольку гравитация — это не что иное, как искривление пространства, если пространство между двумя плоскостями даже немного согнуто, гравитационные силы могут перемещаться поперек. Внезапно мы получаем точное описание тёмной материи — невидимой массы, имеющей гравитацию. Это своеобразное явление не может быть ничем иным, как обычной материей, но из другого измерения.
Мы также знаем то, чем не является тёмная материя. Это не антиматерия, так как антиматерия производит уникальные гамма-лучи, как только она вступает в контакт с нормальным веществом. Это также не скопления обычной материи, так как тогда она будет излучать частицы, которые мы могли бы обнаружить, и, наконец, это не чёрная дыра, так как чёрные дыры компактны, а тёмная материя, похоже, рассеяна повсюду во Вселенной.
Тёмная энергия
Если тёмная материя кажется странной, то всё становится ещё более запутанным, когда мы добираемся до тёмной энергии.
Эйнштейн предсказал расширение Вселенной (скорость, которую мы теперь называем постоянной Хаббла и которая присутствовала в уравнениях общей теории относительности), но современные измерения показывают более высокую скорость, чем предсказал Эйнштейн. До того, как были сделаны эти измерения, считалось, что расширение Вселенной замедлится, и она в конечном итоге схлопнется снова в себя, но теперь наиболее вероятным результатом является то, что наша Вселенная будет продолжать расширяться всегда, что в конечном итоге приведет к так называемой тепловой смерти.
Это непрерывное ускорение Вселенной происходит благодаря тёмной энергии — отталкивающей силе, которая действует противоположным образом, чем тёмная материя, заставляя Вселенную расширяться, а не объединяться в организованные структуры. Это свойство, которое, по-видимому, является частью пустого пространства, а эта энергия более сильная и более концентрированная, чем всё остальное во Вселенной. Если это свойство пустого пространства, это означает, что пустое пространство — это не ничто, а что-то.
Нет никакого способа обнаружить или измерить тёмную энергию, но мы можем принять к сведению последствия её действия.
Согласно Общей теории относительности, энергия или масса искривляют пространство-время. Используем наглядный пример, чтобы лучше понять, как работает тёмная энергия.
Внутри резервуара под давлением быстро движущиеся частицы давят на его стенки. Это, однако, не механизм тёмной энергии, поскольку он имеет место только в том случае, если существует разность давлений между двумя областями. В примере с резервуаром снаружи есть меньшее давление, чем внутри, но у Вселенной нет этой проблемы — давление почти везде одинаково.
Тёмная энергия, как было показано, имеет отрицательное давление, давление, которое тянет внутрь. Но это вызывает удивительное противоречие, учитывая влияние тёмной энергии, вызывающее расширение Вселенной! Это происходит потому, что отрицательное давление не оказывает прямого влияния на гладкую вселенную, но оно вызывает релятивистское расширение, приводящее к антигравитации, доказанной математическими уравнениями.
Так откуда же берётся вся эта энергия? Мы не знаем. Может, ниоткуда. Закон сохранения энергии не применяется ко Вселенной, которая постоянно расширяется, так как общая теория относительности утверждает, что энергия может быть навсегда потеряна и получена из ничего.
Другие теории предполагают, что тёмная энергия — это неизвестная энергетическая жидкость или поле, которое каким-то образом оказывает противоположный эффект, чем нормальная энергия и материя. Возможно, это спонтанные частицы, которые приходят из ничего и возвращаются в ничто.
Мы не знаем, но мы продолжаем изучать таинственную тёмную материю и тёмную энергию, потому что они являются ключом к пониманию нашей Вселенной и ее будущего.
Темная материя и темная энергия
Все, что мы видим вокруг себя (звезды и галактики) это не более 4-5% от всей массы во Вселенной!
Состав Вселенной
Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.
Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского.
Материалы по теме
Крупномасштабная структура Вселенной
В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.
Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?
Сгустки размером с галактику
Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Например, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.
Подходы и методы исследования частиц темной материи
Из чего состоит Вселенная
На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.
Материалы по теме
Эволюция Вселенной: от начала до наших времен
Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.
Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.
Субстанция, обладающая антигравитацией
Распределение энергии во Вселенной
Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.
Природа темной материи и черных дыр
Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.
Кандидаты на роль «Темной энергии»
Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.
Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Спросите Итана №67: тёмная материя против тёмной энергии
Вселенная выглядит причудливо: изобилие галактик, множество кластеров, но нет ничего сильно больше по размеру. Почему она стала именно такой?
Мы неправдоподобно небрежно относимся к формированию наших верований, но находим в себе неоправданную страсть к ним, как только кто-то предлагает лишить нас их компании
— Джеймс Харви Робинсон
Конечно, у большинства из нас есть представления о том, как наша Вселенная стала такой, какая она есть. Но некоторые детали, неважно, насколько они научно обоснованы, сбивают с толку. На этой неделе мне задаёт вопрос Том Андерсон:
Тёмная материя притягивает, тёмная энергия отталкивает. Тёмная энергия непрерывно поддерживает расширение пространства между гравитационно связанными галактиками/кластерами, и текущее научное представление состоит в том, что она будет вечно расширяться, охлаждаться и всё закончится «большим замерзанием». Но гравитационно связанные системы не расширяются, и совместная сила тяготения тёмной и обычной материи равна или превосходит силе отталкивания тёмной энергии и обычной энергии. Почему же Вселенная вообще расширилась после Большого взрыва? Почему тёмная материя не оказала противодействия тёмной энергии в начале Вселенной?
Вопрос насыщенный, так что давайте разделим его на части.
Принципы работы Вселенной и формирования структур, таких, как звёзды, галактики и кластеры, находятся за пределами нашего бытового опыта. Если крайне упростить, то Вселенная состоит из расширяющегося пространства-времени, и скорость расширения начинается с какого-то значения, определённого физикой космической инфляции и тем, как заканчивается инфляционный период.
Но скорость расширения не остаётся постоянной по окончанию инфляции, поскольку Вселенная наполнена всякими другими формами энергии: излучением, материей, антиматерией, нейтрино, тёмной материей, и небольшим количеством присущей пространству энергии, известной, как тёмная энергия. Именно комбинация всего этого – меняющаяся с расширением Вселенной – определяет изменение скорости расширения во времени.
В глобальном масштабе, если взять всю Вселенную целиком, она либо реколлапсирует полностью, либо будет расширяться бесконечно, или окажется на границе этих двух случаев – в зависимости от того, какими именно окажутся соотношения всех различных форм энергии, присутствующих во Вселенной.
Во Вселенной, в которой мы живём, всё выглядит так, что она будет расширяться вечно, и в будущем тёмная энергия станет доминирующей силой.
Но этот анализ не работает на всех масштабах Вселенной: он лишь описывает сценарий на глобальном масштабе. Он говорит о том, что в нашем случае в будущем все объекты, не связанные друг с другом гравитацией, будут разлетаться друг от друга с ускорением.
Но остаются системы, связанные гравитацией, существующие на небольших масштабах в огромных количествах, на средних масштабах – в умеренных количествах, и на больших масштабах – редко, но встречающиеся. И все они оказываются частью одной космической истории.
Вселенная не родилась идеально гладкой, с абсолютно одинаковыми количествами материи, излучения, тёмной материи и тёмной энергии во всех местах. Если бы это было так, Вселенная была бы ужасно скучным, идеально однородным морем, где везде было бы всего одинаково. Не было бы звёзд, галактик, планет, пустот, людей, животных, жизни, кластеров, нитей.
Вместо этого, с самого начала времён во Вселенной были участки с повышенной и пониженной плотностью на всех масштабах: малых, средних и больших.
Тёмная материя помогает участкам с высокой плотностью расти, и они могут делать это достаточно быстро для того, чтобы сколлапсировать из-за гравитации, всего лишь за десятки миллионов лет. Всё идёт так, будто во Вселенной появились небольшие участки с такой большой плотностью, что если бы вся Вселенная была такой плотной, она бы довольно быстро реколлапсировала!
Конечно, во многих других участках плотность ниже средней, и они раздают свою материю участкам с высокой плотностью. Если бы вся Вселенная была такой же, как эти участки, у нас было бы очень, очень мало звёзд, галактик и кластеров.
Но именно это разнообразие начальных условий во Вселенной позволило нам получить разнообразие всего, что мы видим сейчас. В космической битве между тёмной материей и тёмной энергией, гравитации с расширением, в сражении космической «тяги», формирующей структуры, и космического «отталкивания», препятствующего этому, есть и победители, и проигравшие.
Мы легче замечаем победителей, поскольку они испускают и поглощают видимый свет и свет с других частей электромагнитного спектра, приводят к гравитационному линзированию, и поскольку наличие чего-либо легче обнаружить, чем отсутствие.
Но существуют и пустые участки, которые тоже имеют значение, и которых гораздо больше, чем «полных»! Суммарная сила притяжения тёмной и обычной материи может побороть и изначальное расширение, и дополнительную ускоряющую силу тёмной энергии, но только на небольших масштабах и в достаточно ранние времена.
Увеличивая масштаб, мы видим, что у отталкивания становится всё больше побед, а на самых больших масштабах оно выигрывает всегда.
Вселенная сначала расширялась из-за заданных инфляцией условий, и возможности реколлапсировать – благодаря гравитационному притяжению материи, тёмной материи, излучения и нейтрино – хватало для побед только в избранных местах. Притяжение победило не везде, а лишь в меньшинстве случаев, и проиграло в среднем.
Именно поэтому, наблюдая нашу Вселенную, мы видим множество разбросанных по ней галактик, многие из которых собрались в группы и большие скопления, а на больших масштабах они выстроились вдоль линий. Но эти группы, состоящие из тысяч галактик и простирающиеся на сотни миллионов световых лет, скорее всего, являются крупнейшими из связанных гравитацией структур. На более крупных масштабах все структуры временные, и наличие тёмной энергии, в конце концов, растащит их.
Если бы во Вселенной было чуть-чуть побольше тёмной материи – на 1/10 24 больше – она бы реколлапсировала миллиарды лет назад. Она очень долго была точно сбалансированной – с гравитацией, где-то побеждающей локально, где-то проигрывающей – но сейчас, когда тёмная энергия стала преобладать, мы видим, что её воздействие победит. Оно победит в конце, на крупнейших масштабах, и для всего, что не было связано гравитацией в первые семь, или около того, миллиардов лет жизни Вселенной.
Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Физики попытались понять, что связывает темную энергию и темную материю, но запутались еще сильнее
Ученые попытались представить темную энергию как результат некого условного «магнетизма» темной материи, и получили весьма неоднозначные результаты
Наиболее общепринятая модель космологии делит содержимое Вселенной на три основных части. Обычная материя, которую мы видим, касаемся и взаимодействуем с ней каждый день, составляет всего около пяти процентов от общей массы вещества – остальные 95% представляют собой две главные космические загадки.
Самая большая часть приходится на вышеупомянутую темную энергию, которая, по расчетам, составляет 68% Вселенной. Эта сила, кажется, отталкивает самые разные частицы друг от друга со всевозрастающей скоростью.
А еще есть темная материя, которая, как считается, составляет оставшиеся 27% Вселенной. Это странное вещество, как считают физики, удерживает галактики и скопления вместе благодаря сильному гравитационному влиянию, но при этом не взаимодействует со светом, поэтому наблюдать темную материю можно лишь по косвенным признакам.
В некотором смысле, оба этих явления представляют собой своего рода концепции-заполнители, с помощью которых ученые «латают» серьезные дыры в нашем понимании космологии. Но что, если нам понадобится только одна заглушка вместо двух? В новом исследовании ученые из Копенгагенского университета выдвинули гипотезу, что за все аномалии ответственна одна лишь темная материя. Но если это правда, то она куда более странная, чем кажется на первый взгляд.
«Мы мало что знаем о темной материи, кроме того, что это тяжелая и медленная частица», — поясняет Стин Харле Хансен, ведущий автор исследования. «Но мы задались вопросом — а что, если бы темная материя имела какое-то качество, аналогичное магнетизму? Мы знаем, что при движении нормальных частиц те создают магнитные искажения. А магниты притягивают или отталкивают другие магниты — а что, если аналогичный этому процесс происходит во Вселенной? Что это постоянное расширение темной материи возникает благодаря какой-то условно-магнитной силе?», — задает вопрос ученый.
Команда разработала новую модель, которая включала в себя такие переменные Вселенной, как гравитацию и скорость ее расширения, но игнорировала «космологическую константу», которая определяет ускорение этого расширения. Вместо этого они наделили частицы темной материи дополнительной силой, пропорциональной квадрату ее скорости, что сделало ее похожей на магнетизм.
Интересно, что в этой новой модели смоделированная Вселенная расширялась точно так же, как и реальная. Отталкивающей магнетической силы темной материи было достаточно, чтобы ускорить расширение Вселенной, а значит нечто подобное может происходить в действительности.
Конечно, одно только это исследование не опровергает ни существования темной энергии, ни того, что темная материя каким-либо образом магнитна. Но это интересная идея, и она требует дальнейшего изучения с использованием более подробных моделей.
АСТРОновости
Новости о самых интересных астрономических исследованиях и открытиях
В чем разница между темной материей и темной энергией?
Темной материи было дано это название благодаря ее необычным свойствам. По мнению астрономов, должно существовать вещество, не испускающее никакого излучения и ничего не поглощающее. Однако его нельзя увидеть, как мы видим звезды, газ или пыль.
Материя во Вселенной
Сегодня наука предполагает, что «нормальная» материя встречается именно в тех местах Пространства, где особенно много темной материи. Здесь и образовались галактики и скопления, состоящие из множества таких объектов. Присутствие темной материи обнаруживается лишь по ее гравитационному притяжению. Никакого другого взаимодействия с «нормальной» материей у нее практически нет.
Темная материя и галактики
Если темная материя не взаимодействует с нашей видимой материей, то каким образом ей удается удерживать галактики?
Поскольку никто не может объяснить движение галактик с помощью общепринятых законов физики, то приходится допустить существование кроме материи, видимой нами в форме звезд и газа, еще и «темный компонент», точно соответствующий этой недостающей массе.
Предполагается также, что темная материя силой своей гравитации притягивает обычное вещество, что делает возможным образование более крупных структур, в том числе галактик.
Темная энергия и материя во Вселенной